電子材料特刊：驚呆了！花粉和電池竟然有 “奸情”？
電子材料是指以電子為載體、用于制造各種電子元器件和半導體集成電路的材料，包括介電、半導體、壓電與鐵電、導電金屬及其合金、磁性材料及其他相關材料。電子材料是現代電子工業和科學技術發展的物質基礎，其質量決定了電子元器件和半導體集成電路的性能好壞，一代電子新材料的出現將促進新一代電子產品的誕生，電子材料的發展一直受到人們的關注和重視。恰逢2016新年伊始，材料牛的編輯小伙伴們整理了近半月電子材料領域的突破新聞，邀您一覽。
磁鐵懸浮在銅氧化物超導體的上方，這是使得科學家發現從原子水平解釋超導特性的一個開始。
來自滑鐵盧大學的科學家發現超導材料中的電子云可排成一條直線并且有特定方向。他們稱這種有特定方向的電子排列為nematicity。這些和超導特性相關的電子排列成不同的形狀——條紋狀和棋盤狀，兩種形狀顯示出不同的對稱性，兩種電子云共同作用，最后會提高材料的超導電性。nematicity狀態通常在材料開始結晶時出現，通常可以認為這時的溫度為電子軌道達到nematicity狀態的臨界溫度。
科學家對高溫超導體的研究揭示了材料超導態和材料中電荷密度漲落之間的關系，在電荷密度周期性波動的區域，相應地產生了較高密度的電子云與較低密度的電子云，這種現象普遍存在于低摻雜的銅氧化物高溫超導體中。這項發現使得科學家對超導的認識更進一步，對超級計算機、磁懸浮列車、無損儲能等領域的發展產生重要影響。
相關論文發表于最近一期Science。
最近研究表明，花粉過敏者的禍根——花粉，竟然可以作為鋰離子電池的陽極使用。如今大多數鋰離子電池的陽極采用石墨，但最近研究人員使用花粉作為電池的陽極，并控制電池的充電速率。研究人員首先把花粉在氬氣保護中高溫處理，使其“熱解”成保留其原始花粉形狀的碳顆粒，再在有氧條件下300攝氏度加熱這些顆粒，最終形成了一種多孔微小碳顆粒。這種孔隙增加了碳顆粒的儲能容量。最終測試表明，采用花粉陽極的電池僅用電一個小時就可充滿一半以上，而普通石墨陽極電池需要充電10個小時才能充滿電。研究人員將繼續研究花粉陽極，并應用到實際生產中。
相關研究成果已經發表在Scientific Reports上。
威斯康星-麥迪遜大學和明尼蘇達大學研究者探索了作為充電電池核心零件的新型納米顆粒材料鎳錳鈷合金對常見的土壤和沉積物細菌－希瓦氏菌的影響。在降解的鎳錳鈷合金釋放的顆粒的影響下，希瓦氏菌顯示出其生長和呼吸均受到了抑制。并且鎳錳鈷合金的溶解并不一致，鎳與鈷的溶解量大于錳。
該項研究的意義在于促使我們思考鋰蓄電池對生態環境的影響。
相關研究成果已經發表在Chemistry of Materials上。
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科研人員發明了第一種能夠應用于計算由化學氣相沉積制備的多晶石墨烯韌性的數理統計理論。研究人員發現多晶石墨烯的強度非常高，但是它的韌性卻不高（低于鉆石，稍高于純石墨）。當晶粒達到一定尺寸后，多晶石墨烯的強度會發生改變。科研人員發明的數學模型考慮到了石墨烯的微觀結構，并且對多晶石墨烯的斷裂韌性做出定義。這有助于選擇出韌性高的材料，以避免災難性的斷裂事故發生。
相關成果已在Nature Communications上發表。
近日，昆士蘭大學和國際野生生物保護學會發布了一項新的研究成果，向人們展示了在應對氣候變化的過程中的不公現象。一些并未排放大量溫室氣體的國家（其中大部分是島國和非洲國家）在氣候變化過程中會遭受更加嚴重的海洋泛濫和沙漠化的影響。研究人員發現，在17個低排放國家中，有11個在面對氣候變化時時最脆弱的。而具有諷刺意味的是，具有最高排放量的36個國家中，有20個是最不用擔心相關后果的。基于這個事實，研究人員呼吁有必要動員國家層面上的減排計劃以幫助那些脆弱的國家應對氣候變化。
相關研究成果已經發表在Scientific Reports上。
左：在氮化硼納米管上排布的金屬量子點；右：在透射電子顯微鏡下觀察到的量子隧穿效應
近日，密歇根理工大學Yoke Khin Yap教授領導的研究項目發表了一種可用于可穿戴設備制造的電子材料的研究成果。
研究人員稱，對于硅這一類的半導體材料制作成的電子元件，不僅存在過熱現象，還存在導電能力差和漏電的缺點。而他們利用在絕緣的氮化硼（BNNTs）納米管排布金屬量子點的方法，制備出了可產生量子隧穿效應的納米材料，這種材料可有效避免過熱和漏電現象的發生。同時，這種納米材料可以使晶體管具有良好的可伸縮性和可彎曲性，這為可穿戴電子設備的研發提供了便利。
相關研究成果已經發表在Scientific Reports上。
強的深谷激子在2-D半導體異質結中發生互相作用，并進行傳輸。
異質結是現代電子和光學設備的基礎，盡管目前廣為使用的是三維半導體異質結，而二維異質結因具有眾多優異性質同樣深受材料科研者的追捧。
近日華盛頓大學的科學家們制備出了只有幾個原子厚度的二維WSe2—MoSe2半導體異質結，他們調整WSe2和MoSe2薄膜單晶的相對角度，將其精準地結合在一起來研究不同取向時的性質。科學家發現，激子在這些異質結中存在的時間比在單一晶體中存在的時間大了幾個數量級，有很大的界面研究價值。
該薄膜有望應用于激光技術、發光二極管、清潔能源和其它光學裝置。研究成果發表于Science。
8. 超級計算助力消除芯片中納米級缺陷 ?更小更強大器件又有盼頭
光阻劑是制造芯片的重要原料之一，光阻劑的選用對芯片上導線能獲得的最小尺寸以及芯片上缺陷的數量有很大的影響。
芝加哥大學及美國能源部阿貢國家實驗室研究人員發現缺陷的形成與嵌作為光阻劑的段共聚物的亞穩態有關，處于亞穩態的共聚物越多缺陷越多。為了讓亞穩態的化合物變為穩態的化合物，他們用分子模擬的方法來計算能壘產生的原因以及亞穩態轉變為穩態的途徑，繼而通過改變溫度、溶劑和使用電（磁）場的方法來降低轉變的能壘，最后制備出的芯片中的缺陷數量少于1個/100cm2。這項進展勢必會促進電子設備向著更小且功能更為強大的方向發展。
核磁共振技術最初用來研究分子的結構，后續科學工作者根據金剛石中的一種氮空位（NV）的磁場特性來測試分子指紋這種技術使得核磁共振技術得到了改進。而今哈佛大學和德國烏爾姆大學的科研團隊則進一步提出了兩種改進辦法。第一種是：把NV傳感器離金剛石更近，并且外部噪音不會削弱量子相干性。第二種是：編寫一種新的讀出程序，這可以讓科研人員在不引起改變的情況下測出NV中心的磁矩。該技術可以測試單個分子的磁場。
上述研究成果已發表在Science雜志上。
德國高端制造商Rimowa行李制造公司開發出一種電子行李箱，把手處有一塊數字顯示屏可顯示信息。用戶可在離家前對行李進行檢測，結果顯示在外面屏幕上，并且可通過藍牙傳送到手機上。行李內部有一個按鈕激活屏幕顯示，由于保密性好，安全性高，該產品適用于航空領域，一方面為航空公司節省檢測時間，且能向乘客提供行李的位置等信息。
納米多孔膜的透射電子顯微鏡照片
鋰金屬充電電池的最大制約因素是充電過程中枝晶的生長。以往，人們利用陶瓷分離器來抑制鋰枝晶的生長，但這種做法限制電池運行溫度在300℃至400℃。近日，康奈爾大學研究團隊利用將聚環氧乙烷嫁接到二氧化硅表面的方法制備出納米級有機混合材料。使用這種材料制成的納米多孔膜能夠在阻止鋰枝晶生長的同時讓液體電解質順利透過。該納米多孔膜具有良好的機械強度和室溫離子電導率。
研究人員稱，這項技術可應用于任何形狀的電機上，并且為其他金屬電池提升效率提供一定借鑒意義。
相關研究成果已經發表在Nature Communications上。
近日，由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助的高速模擬-數字轉換器研究取得進展。這項進展得益于DARPA與全球晶圓（GlobalFoundries）共同研發的32納米絕緣硅片半導體技術。
現今的模擬-數字轉換器（ADC）只能在特定時間內，在有限頻段中處理數據，而一些關鍵信息有可能會因為干擾信號的出現而被忽略。而上述新型ADC擁有十倍于傳統ADC的處理速度。因此，這種ADC可在更寬的頻段中處理數據，使得設備能夠在現今擁擠的頻譜環境下更好地運行。
在將來，隨著14納米芯片技術的應用，下一代ADC會變得更加節能，同時能在更寬的頻段中工作。
本特刊由材料人電子電工材料學習小組祥彬、山山、昭銘、林海、王苗等人編寫，特此感謝。
材料牛編輯整理。
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